Разработка нового экспресс-метода магнитореологической диагностики магнитных свойств частиц дисперсной фазы природных и техногенных сред. Создание принципов его цифровизации в лабораторной и промышленной практике

Основная цель НИР – разработка нового метода (названного магнитореологическим, в отечественной и зарубежной практике пока не применявшемся) диагностики магнитных свойств частиц дисперсной фазы природных и техногенных сред, создание принципов цифровой технологии его реализации в лабораторной и промышленной практике. Такой метод особо востребован для решения задач, связанных с целенаправленным магнитным воздействием на присутствующие во многих техногенных и природных средах магнитоактивные частицы разного происхождения, в том числе для решения весьма широкого круга задач их магнитного разделения и/или магнитного транспорта. По результатам выполнения НИР в течение 2020-2023 гг.: - опубликовано 54 научных труда в отечественных и зарубежных индексируемых изданиях (в 2020г. – 10, в 2021г. – 16, в 2022г. – 11, в 2023г. – 17), в том числе индексируемых Web of Science и Scopus, из них 8 в научных журналах первого и второго квартилей; - получено 24 документа Роспатента на результаты интеллектуальной деятельности (РИД) (в 2020г. – 5, в 2021г. – 8, в 2022г. – 5, в 2023г. – 6), из них получено 12 патентов на изобретения, 3 патента на полезные модели и промышленный образец, 9 свидетельств на базы данных и программы для ЭВМ; - материалы работ доложены на 17-ти международных и отечественных конференциях и выставках (в 2020г. – 4, в 2021г. – 3, в 2022г. – 6, в 2023г. – 5), использованы при подготовке 3-х диссертаций исполнителей НИР; - получен диплом победителя конкурса «Новатор Москвы-2022» в номинации «Проект будущего». При проведении исследований кроме имеющейся материально-технической базы Лаборатории магнитного контроля и разделения материалов РТУ МИРЭА использовалось научное оборудование ЦКП МСТиЭКБ Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ). В течение всего срока выполнения НИР, т.е. с 2020 по 2023 год включительно, достигнуты следующие, наиболее значимые, результаты работы. Обоснован предложенный метод магнитореологической диагностики магнитной восприимчивости частиц, позволяющий, в отличие от существующих методов изучения магнитной восприимчивости материалов, осуществлять такую диагностику, используя для этого единичные частицы дисперсной фазы природных и техногенных сред. Это принципиально важно, прежде всего, для развития прогрессирующего научно-прикладного направления по созданию технологических основ магнитной сепарации (магнитофореза) частиц дисперсной фазы разных сред, применяемых в промышленности, а также биологии и медицине. Получены данные магнитной восприимчивости железосодержащих частиц – с использованием результатов измерений восприимчивости их порошковых, в том числе относительно слабо концентрированных, образцов усовершенствованным (авторами НИР) пондеромоторным методом. Получены полевые зависимости индукции, магнитной проницаемости, восприимчивости и намагниченности дисперсных магнетиков – на примере цилиндрических гранулированных (засыпка гранул-шаров) ферромагнитных образцов. При этом восполнен также пробел в информации о магнитных свойствах таких магнетиков, в частности, используемых в качестве рабочих органов полиградиентных магнитных сепараторов и анализаторов. Установ-лены принципиальные особенности характера намагничивания таких магне-тиков (в отличие от сплошных магнетиков). Выяснена роль температуры жидкостно-дисперсной среды – как параметра, влияющего посредством реологического параметра, а именно динамической вязкости, на результат магнитного выделения частиц и лимитирующий скоростной режим. Получены соответствующие феноменологические связи, включающие параметр температуры в явном виде, более полно раскрывающие выражение для эффективности магнитного выделения частиц. Предложен и протестирован подход к идентификации и обоснованию зоны стабильной неоднородности поля – как рабочей зоны не только для расположения дисперсного образца (при реализации усовершенствованного авторами НИР пондеромоторного метода), но и для принудительного перемещения в ней отдельной частицы (при реализации нового, магнитореологического, метода). Разработана модель и создан экспериментальный стенд для магнитореологической диагностики магнитоактивных частиц. Обоснованы условия для практически полного устранения инерционной силы и, следовательно, для обеспечения последующего необходимого условия, когда можно воспользоваться условием баланса конкурирующих сил и получить расчетные выражения для опытно-расчетного определения магнитной восприимчивости частицы. Сформулированы основы метода магнитореологической диагностики магнитной восприимчивости единичных частиц (с соответствующей возможностью реализации в нем цифрового принципа, гарантирующего автоматизацию метода, что важно для оперативного, т.е. в исполнении экспресс-метода, получения информации). Детализировано оригинальное решение, заключающееся в использовании хорошо зарекомендовавшей себя электромагнитной системы с полюсами сферической формы для создания неоднородного магнитного поля, в котором имеются зоны со специфичными характеристиками, а именно практически постоянными значениями магнитного градиента и/или магнитного силового фактора. Проведено моделирование магнитного поля в рабочей зоне с помощью программы Comsol Multiphysics, в универсальном виде уточнены координаты расположения и, главное, – размеры требуемой (для магнитореологического метода) зоны. Показано заметное качественное сходство модельных и экспериментальных характеристик индукции и градиента в магнетометре, что позволяет считать моделирование приемлемым для идентификации рабочей зоны магнетометра. В дополнение к магнитореологической диагностике магнитной восприимчивости частицы обоснована возможность подобной диагностики за счет использования для этого специально получаемой зависимости восприимчивости дисперсного образца таких частиц от их объемной доли (концентрации) в образце. Приведены результаты контроля магнитной восприимчивости частиц по концентрационной и полевой зависимостям магнитной восприимчивости дисперсного образца. Показаны особенности определения магнитных свойств концентрированных дисперсных (в частности, гранулированных) магнетиков – «коротких» и достаточно «длинных». Обнаружены признаки сходства и различия характера зависимостей ключевых магнитных параметров сплошных и гранулированных магнетиков (в том числе специфичных магнетиков – цепочек гранул как элементов гранулированной среды, моделирующей намагничивание такой среды). Для цифровизации данных магнитных измерений в межполюсной области магнетометра с полюсными наконечниками сферической формы создана программа, позволяющая в автоматизированном режиме определять координаты зоны практически стабильного магнитного силового фактора. Получена база данных магнитного силового фактора в магнетометре для идентификации зоны его относительно стабильных значений и тем самым – конкретизации рабочих зон для реализации принудительного магнитореологического перемещения изучаемых частиц в магнетометре. На примере частиц магнетитосодержащей руды (в виде мелкодисперсного порошка) с помощью магнитооптического эффекта Керра показано, что информация о получаемых таким образом магнитных свойствах частиц может быть расценена как предварительная, требующая расширения с использованием, в частности, разрабатываемого магнитореологического метода. На примере масштабированных цепочек частиц-шаров получены сведения о магнитных свойствах «трубок-слоев» таких цепочек, что позволило установить и функционально аппроксимировать значения размагничивающего фактора сравнительно коротких цепочек. Выполнена конструктивно-технологическая проработка новых клю-чевых компонентов магнитореологического магнетометра. Для повышения оперативности проведения исследований по магнитореологическому перемещению изучаемых частиц разработан подход к использованию бесконтактных ограничителей рабочей зоны в магнетометре и регистрации времени прохождения частицей рабочей зоны. Магнитореологическим методом получены результаты определения магнитной восприимчивости частиц-примесей разных природных и техногенных сред (сахара-песка, чая, манной крупы, кварцевого песка, полевого шпата, смазочно-охлаждающей жидкости) – в виде соответствую-щих гистограмм распределения. Разработана усовершенствованная программа для цифровой идентификации рабочей зоны магнитореологического магнетометра, учитывающая особенности магнетометра, включая токовую нагрузку, различные диаметры и форму полюсных наконечников, различное расстояние между полюсными наконечниками. Программа содержит архив баз данных, к которым пользователь обращается в каждом конкретном случае. Основные результаты, полученные за весь период выполнения НИР (статистика которых упомянута выше), приведены в опубликованных научных трудах и зарегистрированных в Роспатенте результатах интеллектуальной деятельности (патенты на способы, устройства, полезные модели, промышленный образец и др.), докладах на конференциях, выставках, форумах. В период выполнения НИР престижной наградой «Новатор Москвы — 2022» (в номинации «Проект будущего» по направлению «Промышленность») отмечена разработка, предназначенная для магнитоконтроля магнитоактивных частиц в природных и техногенных средах (руководитель разработки д.т.н., проф. Сандуляк А.А.).